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木士春教授在太陽(yáng)能-電解水制氫方面取得重要成果

武漢理工大學(xué)新聞經(jīng)緯  2020-06-12  材料復(fù)合新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室   2020-06-10

近日,我校材料復(fù)合新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室木士春教授課題組聯(lián)合廣東佛山仙湖實(shí)驗(yàn)室在磷化物電解水制氫領(lǐng)域又取得重要進(jìn)展,研究成果已在國(guó)際能源材料頂級(jí)刊物《先進(jìn)能源材料》(Advanced Energy Materials)上在線發(fā)表,目前已持續(xù)成為水分解等研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)論文。

氫能作為一種新型綠色能源受到了研究者的廣泛關(guān)注。在現(xiàn)有的制氫技術(shù)中,電解水制氫因具有綠色、氫純度高和可持續(xù)等特點(diǎn)被認(rèn)為是一種非常有吸引力的制氫方法。而開發(fā)高效的析氫反應(yīng)(OER)和析氫反應(yīng)(HER)雙功能電催化劑是電解水制氫技術(shù)的關(guān)鍵。過渡金屬磷化物(TMPs)作為一類間隙化合物,具有高的導(dǎo)電性、電催化活性及電化學(xué)穩(wěn)定性,被認(rèn)為是未來非Pt催化劑的理想材料之一。近五年來,木士春教授課題組在磷化物電解水制氫催化劑的設(shè)計(jì)、構(gòu)筑及電催化性能方面開展了大量的研究工作,已在Angew Chem Int Ed、Energy Environ Sci、Adv Energy Mater、Adv Funct Mater、Nano Energy、J Catal等國(guó)際權(quán)威期刊上發(fā)表20余篇相關(guān)高質(zhì)量論文。此外,在實(shí)際應(yīng)用中,電解水制氫一直受到電能的限制??紤]到太陽(yáng)能的豐富性,建立以磷化物為催化劑的太陽(yáng)能制氫系統(tǒng)是未來電解水制氫技術(shù)發(fā)展的重要方向之一。

在此基礎(chǔ)上,最近,他們?cè)谂菽嚿显簧L(zhǎng)出類普魯士藍(lán)(PBA),經(jīng)載Ru和高溫磷化處理后獲得具有超低Ru含量的Ru-MnFeP/NF催化劑。在堿性條件下,制備得到的Ru-MnFeP/NF展現(xiàn)出了較低的HER(35 mV @ 10mA cm-2)和OER(191mV @ 20mA cm-2)過電位。這是因?yàn)镽u的引入增加了催化材料的導(dǎo)電性及組分間的協(xié)同作用,從而改善含氫和含氧中間體的吸附過程。因此, 當(dāng)將其作為雙功能催化劑組裝成電解槽時(shí),僅需1.47 V的超低電壓就可以達(dá)到10 mA cm-2的電流密度。這是迄今報(bào)道的最低水分解電壓值之一。更重要的是,他們利用該全水解裝置成功構(gòu)建和演示了太陽(yáng)能制氫系統(tǒng),使Ru-MnFeP/NF催化劑的規(guī)?;瘧?yīng)用成為了可能。此外,該催化劑還具有優(yōu)異的穩(wěn)定性和近乎100%的法拉第效率。值得注意的是,Ru作為Pt族的一員,具有類Pt的析氫活性和高于Pt的析氧活性,而且價(jià)格僅為Pt的4%,非常具有商業(yè)吸引力。毫無(wú)疑問,這項(xiàng)研究成果將有助于開發(fā)環(huán)境友好的氫能和低成本、高效的電化學(xué)能量轉(zhuǎn)換裝置。

論文第一作者為碩士研究生陳釘,通訊作者為木士春教授。武漢理工大學(xué)納微結(jié)構(gòu)研究中心吳勁松教授和胡執(zhí)一副研究員等研究人員協(xié)助完成了催化劑的球差電鏡表征工作。該項(xiàng)研究獲得了國(guó)家自然科學(xué)基金(No.51672204)及國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(No. 2016YFA0202603)等項(xiàng)目的支持。

論文鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/aenm.202000814